عملية الاتصال

تُعدّ عملية التلامس طريقةً لإنتاج حمض الكبريتيك ^{[ 1 ]} بالتركيزات العالية اللازمة للعمليات الصناعية. استُخدم البلاتين في الأصل كعامل حفاز لهذا التفاعل؛ إلا أنه نظرًا لحساسيته للتفاعل مع شوائب الزرنيخ الموجودة في مادة الكبريت الخام، فقد فُضِّل استخدام _أكسيد الفاناديوم (V₂O₅ ₎ منذ ذلك الحين . ^{[ 2 ]}

تم تسجيل براءة اختراع هذه العملية في عام 1831 من قبل تاجر الخل البريطاني بيرغرين فيليبس. ^{[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]} بالإضافة إلى كونها عملية أكثر اقتصادية بكثير لإنتاج حمض الكبريتيك المركز مقارنة بعملية غرفة الرصاص السابقة ، فإن عملية التلامس تنتج أيضًا ثالث أكسيد الكبريت والأوليوم .

في عام 1890، طور جون براون فرانسيس هيرشوف شكلاً من أشكال عملية التحفيز بالتلامس للشركة التي كان شريكاً فيها. ^{[ 6 ]}

في عام 1901، حصل يوجين دي هان على براءة اختراع للعملية الأساسية التي تتضمن دمج ثاني أكسيد الكبريت والأكسجين بوجود أكاسيد الفاناديوم ، مما ينتج عنه ثالث أكسيد الكبريت الذي يمتص بسهولة في الماء، منتجًا حمض الكبريتيك . ^{[ 7 ]} وقد تحسنت هذه العملية بشكل ملحوظ بتقليص حجم جزيئات المحفز (على سبيل المثال ≤ 5000 ميكرون)، وهي عملية اكتشفها اثنان من الكيميائيين في شركة BASF عام 1914. ^{[ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]}

يمكن تقسيم العملية إلى أربع مراحل:

1. يتم دمج الكبريت والأكسجين (O2 ₎ لتكوين ثاني أكسيد الكبريت ، ثم يتم تنقية ثاني أكسيد الكبريت في وحدة تنقية .
2. إضافة كمية زائدة من الأكسجين إلى ثاني أكسيد الكبريت في وجود عامل حفاز من خامس أكسيد الفاناديوم عند درجة حرارة 450  درجة مئوية وضغط 1-2  ضغط جوي
3. يُضاف ثالث أكسيد الكبريت المتكون إلى حمض الكبريتيك مما يؤدي إلى تكوين الأوليم (حمض ثنائي الكبريتيك).
4. ثم يُضاف الأولوم إلى الماء لتكوين حمض الكبريتيك شديد التركيز. ولأن هذه العملية تفاعل طارد للحرارة، يجب أن تكون درجة حرارة التفاعل منخفضة قدر الإمكان.

يُعدّ تنقية الهواء وثاني أكسيد الكبريت (SO2 ₎ ضروريًا لتجنب تسمم المحفز (أي إزالة فعاليته التحفيزية). ثم يُغسل الغاز بالماء ويُجفف بحمض الكبريتيك.

للحفاظ على الطاقة، يتم تسخين الخليط بواسطة غازات العادم من المحول الحفاز بواسطة مبادلات حرارية.

ثم يتفاعل ثاني أكسيد الكبريت والأكسجين على النحو التالي:

2 SO _2(g) + O _2(g) ⇌ 2 SO _3(g)  : Δ H = -197  كيلوجول·مول ⁻¹

وفقًا لمبدأ لو شاتيليه ، تُفضّل درجات الحرارة المنخفضة تكوين ثالث أكسيد الكبريت، ولكن إذا كانت درجة الحرارة منخفضة جدًا، يصبح معدل التفاعل غير اقتصادي. ولذلك، في الممارسة الصناعية، تُجرى عملية الأكسدة عند حوالي 420 إلى 620  درجة مئوية باستخدام محفزات أساسها أكسيد الفاناديوم (V) ، وعادةً ما تكون عند حوالي 450  درجة مئوية، عند ضغط قريب من الضغط الجوي. ^{[ 11 ]} تحت هذا النطاق، يُعطّل المحفز بتكوين مركبات الفاناديوم (IV)، بينما يبدأ بالتحلل عند درجات حرارة أعلى. ^{[ 11 ]}

لا تتكون المرحلة الحفزية النشطة من أكسيد الفاناديوم الصلب النقي (V₂O₅ ₎ ، _بل من ملح منصهر يتكون من أكسيد الفاناديوم (V) وكبريتات الفلزات القلوية المضافة . في هذا المصهور، يتشكل مركب تفاعلي ذو تركيب [(VO) _₂O (SO₄ _)₄ ] _⁴⁻ ، ^والذي يُعتبر النوع الحفزي الفعلي. يرتبط الأكسجين وثاني أكسيد الكبريت بهذا المركب ويتفاعلان لتكوين ثالث أكسيد الكبريت دون تغيير في حالة أكسدة الفاناديوم. ^{[ ١١ ]} يمر ثالث أكسيد الكبريت الساخن عبر المبادل الحراري ويذوب في حمض الكبريتيك المركز ( H₂SO₄ _{) في} برج الامتصاص لتكوين الأوليم.

H₂SO₄ + _SO₃ → _{H₂S₂O₇​}​_​​_​​_​

تجدر الإشارة إلى أن إذابة SO3 مباشرة _في الماء غير عملية نظراً لطبيعة التفاعل الطاردة للحرارة بشدة. وينتج عن ذلك بخار أو رذاذ حمضي بدلاً من سائل.

يتفاعل الأوليم مع الماء لتكوين حمض الكبريتيك المركز (H ₂ SO ₄₎ .

H₂S₂O₇ + _H₂O → _{2H₂SO₄​}​_​​_​​_​

يشمل ذلك برج إزالة الغبار، وأنابيب التبريد، وأجهزة التنقية، وبرج التجفيف، وجهاز تنقية الزرنيخ، ووحدة الاختبار. يحتوي ثاني أكسيد الكبريت على العديد من الشوائب مثل الأبخرة وجزيئات الغبار وأكسيد الزرنيخ . لذلك، يجب تنقيته لتجنب تسمم المحفز (أي: تدمير النشاط التحفيزي وفقدان الكفاءة). في هذه العملية، يُغسل الغاز بالماء، ويُجفف بحمض الكبريتيك. في برج إزالة الغبار، يُعرَّض ثاني أكسيد الكبريت لبخار الماء الذي يزيل جزيئات الغبار. بعد تبريد الغاز، يدخل ثاني أكسيد الكبريت إلى برج الغسيل حيث يُرش بالماء لإزالة أي شوائب قابلة للذوبان. في برج التجفيف، يُرش حمض الكبريتيك على الغاز لإزالة الرطوبة منه. وأخيرًا، يُزال أكسيد الزرنيخ عند تعريض الغاز لهيدروكسيد الحديديك .

يُعدّ التلامس المزدوج والامتصاص المزدوج (DCDA) أحد التطبيقات الحديثة الشائعة لعملية التلامس . في هذه العملية، تُمرّر غازات المنتج (SO₂ _و SO₃ ₎ عبر أبراج الامتصاص مرتين لتحقيق امتصاص إضافي وتحويل SO₂ _إلى SO₃ _، وإنتاج حمض كبريتيك عالي الجودة.

تدخل الغازات الغنية بثاني أكسيد الكبريت (SO₂ ₎ إلى المحول الحفاز، وهو عادةً برج ذو طبقات متعددة من الحفازات، حيث تتحول إلى ثالث أكسيد الكبريت (SO₃) _، وبذلك تكتمل المرحلة الأولى من عملية التحويل. تحتوي الغازات الخارجة من هذه المرحلة على كلٍ من SO₂ _و SO₃ _، والتي تمر عبر أبراج امتصاص وسيطة حيث يُقطر حمض الكبريتيك عبر أعمدة معبأة، ويتفاعل _SO₃ مع الماء مما يزيد من تركيز حمض الكبريتيك. على الرغم من أن SO₂ _يمر أيضًا عبر البرج، إلا أنه غير متفاعل ويخرج من برج الامتصاص.

يتم تمرير تيار الغاز المحتوي على SO2 _، بعد التبريد اللازم، عبر عمود المحول الحفاز مرة أخرى، محققًا تحويلًا يصل إلى 99.8% من SO2 _إلى SO3 _، ثم يتم تمرير الغازات مرة أخرى عبر عمود الامتصاص النهائي، وبالتالي تحقيق كفاءة تحويل عالية لـ _SO2 .

يتضمن الإنتاج الصناعي لحمض الكبريتيك التحكم المناسب في درجات الحرارة ومعدلات تدفق الغازات حيث أن كفاءة التحويل والامتصاص تعتمد على هذه العوامل.

• جيم كلارك (2002). "عملية التلامس" . دليل الكيمياء .
• "عملية الاتصال" . سيتي كوليجيت . 2009. مؤرشف من الأصل بتاريخ 2015-03-02 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 2009-05-01 .
• "برج الامتصاص" . موسوعة التعدين .